ejemplos de sistemas dinámicos caóticos: el atractor de...

Ejemplos de sistemas dinámicos caóticos: elatractor de Lorenz y la dinámica de la

herradura de Smale

Ana Rechtmanwww-irma.u-strasbg.fr/ rechtman/cv.html

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Ana Rechtman Ejemplos de sistemas dinámicos caóticos 1 / 18

¿Qué es un sistema dinámico?

Tiempo discretoSi tenemos un conjunto X y un mapeo f : X → X tal que el dominio yla imagen se intersectan, entonces podemos analizar el sistemadinámico definido por las iteraciones de f .

Ejemplo: rotaciones del círculo

X = S1 = [0,2π)/ ∼f (x) = x + θ mod(2π).

¿Qué pasa con las órbitas?

Si θ es un múltiplo racional de π, todas las órbitas son periódicas.Si θ no es un múltiplo racional de π, entonces todas las órbitasson densas.

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¿Qué es un sistema dinámico?

Tiempo discretoSi tenemos un conjunto X y un mapeo f : X → X tal que el dominio yla imagen se intersectan, entonces podemos analizar el sistemadinámico definido por las iteraciones de f .

Ejemplo: rotaciones del círculo

X = S1 = [0,2π)/ ∼f (x) = x + θ mod(2π).

¿Qué pasa con las órbitas?

Si θ es un múltiplo racional de π, todas las órbitas son periódicas.Si θ no es un múltiplo racional de π, entonces todas las órbitasson densas.

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¿Qué es un sistema dinámico?

Tiempo discretoSi tenemos un conjunto X y un mapeo f : X → X tal que el dominio yla imagen se intersectan, entonces podemos analizar el sistemadinámico definido por las iteraciones de f .

Ejemplo: rotaciones del círculo

X = S1 = [0,2π)/ ∼f (x) = x + θ mod(2π).

¿Qué pasa con las órbitas?

Si θ es un múltiplo racional de π, todas las órbitas son periódicas.Si θ no es un múltiplo racional de π, entonces todas las órbitasson densas.

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¿Qué es un sistema dinámico?

Tiempo discretoSi tenemos un conjunto X y un mapeo f : X → X tal que el dominio yla imagen se intersectan, entonces podemos analizar el sistemadinámico definido por las iteraciones de f .

Ejemplo: rotaciones del círculo

X = S1 = [0,2π)/ ∼f (x) = x + θ mod(2π).

¿Qué pasa con las órbitas?

Si θ es un múltiplo racional de π, todas las órbitas son periódicas.

Si θ no es un múltiplo racional de π, entonces todas las órbitasson densas.

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¿Qué es un sistema dinámico?

Tiempo discretoSi tenemos un conjunto X y un mapeo f : X → X tal que el dominio yla imagen se intersectan, entonces podemos analizar el sistemadinámico definido por las iteraciones de f .

Ejemplo: rotaciones del círculo

X = S1 = [0,2π)/ ∼f (x) = x + θ mod(2π).

¿Qué pasa con las órbitas?

Si θ es un múltiplo racional de π, todas las órbitas son periódicas.Si θ no es un múltiplo racional de π, entonces todas las órbitasson densas.

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Sistema dinámico con tiempo discreto

Ejemplo: dinámica sur-norte

Hay dos puntos fijos, los polos S y N.Para todo otro punto,

limn→∞f n(x) = Nlimn→−∞f n(x) = S

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Sistema dinámico con tiempo discreto

Ejemplo: dinámica sur-norte

Hay dos puntos fijos, los polos S y N.

Para todo otro punto,

limn→∞f n(x) = Nlimn→−∞f n(x) = S

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Sistema dinámico con tiempo discreto

Ejemplo: dinámica sur-norte

Hay dos puntos fijos, los polos S y N.Para todo otro punto,

limn→∞f n(x) = Nlimn→−∞f n(x) = S

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¿Qué es un sistema dinámico?

Tiempo continuoSi tenemos en Rn una ecuación diferencial

X ′ = F (X ),

con F : Rn → Rn. Las soluciones definen un flujo en Rn.

ObservaciónF podría ser una aplicación que depende del tiempo, es decir,tendríamos una ecuación diferencial de la forma x ′ = F (x , t).En este caso la ecuación no es autónoma.

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¿Qué es un sistema dinámico?

Tiempo continuoSi tenemos en Rn una ecuación diferencial

X ′ = F (X ),

con F : Rn → Rn. Las soluciones definen un flujo en Rn.

ObservaciónF podría ser una aplicación que depende del tiempo, es decir,tendríamos una ecuación diferencial de la forma x ′ = F (x , t).En este caso la ecuación no es autónoma.

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Sistema dinámico con tiempo continuo

Ejemplo: una suspensión, pasar de tiempo discreto a continuo

Ejemplo: un campo lineal en R2

X ′ =(

x ′

y ′

)=

(2 00 −1/2

)(xy

)Observemos que el origen es un punto fijo, pues el campo vectorial esnulo. Decimos que el origen es una singularidad del campo vectorial.

¿Qué podemos decir sobre el comportamientocerca del origen?

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Sistema dinámico con tiempo continuo

Ejemplo: una suspensión, pasar de tiempo discreto a continuoEjemplo: un campo lineal en R2

X ′ =(

x ′

y ′

)=

(2 00 −1/2

)(xy

)Observemos que el origen es un punto fijo, pues el campo vectorial esnulo. Decimos que el origen es una singularidad del campo vectorial.

¿Qué podemos decir sobre el comportamientocerca del origen?

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Sistema dinámico con tiempo continuo

Ejemplo: una suspensión, pasar de tiempo discreto a continuoEjemplo: un campo lineal en R2

X ′ =(

x ′

y ′

)=

(2 00 −1/2

)(xy

)

Observemos que el origen es un punto fijo, pues el campo vectorial esnulo. Decimos que el origen es una singularidad del campo vectorial.

¿Qué podemos decir sobre el comportamientocerca del origen?

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Sistema dinámico con tiempo continuo

Ejemplo: una suspensión, pasar de tiempo discreto a continuoEjemplo: un campo lineal en R2

X ′ =(

x ′

y ′

)=

(2 00 −1/2

)(xy

)Observemos que el origen es un punto fijo, pues el campo vectorial esnulo. Decimos que el origen es una singularidad del campo vectorial.

¿Qué podemos decir sobre el comportamientocerca del origen?

Ana Rechtman Ejemplos de sistemas dinámicos caóticos 5 / 18

Sistema dinámico con tiempo continuo

Ejemplo: una suspensión, pasar de tiempo discreto a continuoEjemplo: un campo lineal en R2

X ′ =(

x ′

y ′

)=

(2 00 −1/2

)(xy

)Observemos que el origen es un punto fijo, pues el campo vectorial esnulo. Decimos que el origen es una singularidad del campo vectorial.

¿Qué podemos decir sobre el comportamientocerca del origen?

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Sistema dinámico con tiempo continuoEjemplo en el intervalo [0,1] ⊂ R

x ′ = cx(1− x) c > 1

en x = 0 y x = 1 el campo vectorial es singular, por lo que sonpuntos fijos.

para toda x0 ∈ (0,1) la solución x(t) de la ecuación diferencialcon x(0) = x0 satisface:

limt→∞x(t) = 1limt→−∞x(t) = 0

El mapeo x 7→ x(1− x) = x − x2 tiene como derivada c(1− 2x),

x = 0, la derivada vale c ⇒ 0 es inestable

x = 1, la derivada vale -c ⇒ 1 es estable

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Sistema dinámico con tiempo continuoEjemplo en el intervalo [0,1] ⊂ R

x ′ = cx(1− x) c > 1

en x = 0 y x = 1 el campo vectorial es singular, por lo que sonpuntos fijos.para toda x0 ∈ (0,1) la solución x(t) de la ecuación diferencialcon x(0) = x0 satisface:

limt→∞x(t) = 1limt→−∞x(t) = 0

El mapeo x 7→ x(1− x) = x − x2 tiene como derivada c(1− 2x),

x = 0, la derivada vale c ⇒ 0 es inestable

x = 1, la derivada vale -c ⇒ 1 es estable

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Sistema dinámico con tiempo continuoEjemplo en el intervalo [0,1] ⊂ R

x ′ = cx(1− x) c > 1

en x = 0 y x = 1 el campo vectorial es singular, por lo que sonpuntos fijos.para toda x0 ∈ (0,1) la solución x(t) de la ecuación diferencialcon x(0) = x0 satisface:

limt→∞x(t) = 1limt→−∞x(t) = 0

El mapeo x 7→ x(1− x) = x − x2 tiene como derivada c(1− 2x),

x = 0, la derivada vale c ⇒ 0 es inestable

x = 1, la derivada vale -c ⇒ 1 es estable

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Sistema dinámico con tiempo continuoEjemplo en el intervalo [0,1] ⊂ R

x ′ = cx(1− x) c > 1

en x = 0 y x = 1 el campo vectorial es singular, por lo que sonpuntos fijos.para toda x0 ∈ (0,1) la solución x(t) de la ecuación diferencialcon x(0) = x0 satisface:

limt→∞x(t) = 1limt→−∞x(t) = 0

El mapeo x 7→ x(1− x) = x − x2 tiene como derivada c(1− 2x),

x = 0, la derivada vale c ⇒ 0 es inestable

x = 1, la derivada vale -c ⇒ 1 es estable

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Sistema dinámico con tiempo continuoEjemplo en el intervalo [0,1] ⊂ R

x ′ = cx(1− x) c > 1

en x = 0 y x = 1 el campo vectorial es singular, por lo que sonpuntos fijos.para toda x0 ∈ (0,1) la solución x(t) de la ecuación diferencialcon x(0) = x0 satisface:

limt→∞x(t) = 1limt→−∞x(t) = 0

El mapeo x 7→ x(1− x) = x − x2 tiene como derivada c(1− 2x),

x = 0, la derivada vale c ⇒ 0 es inestable

x = 1, la derivada vale -c ⇒ 1 es estable

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Las ecuaciones de Lorenz

Edward N. Lorenz (1917 - 2008),

en 1967 propone el siguientesistema de ecuaciones:

x ′ = σ(y − x)y ′ = rx − y − xzz ′ = xy − bz.

con σ, r ,b > 0 (σ = 10, b = 8/3, r = 28).

Primeras observacionesLa simetría

(x , y , z) 7→ (−x ,−y , z)

deja el sistema de ecuaciones invariante.

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Las ecuaciones de Lorenz

Edward N. Lorenz (1917 - 2008), en 1967 propone el siguientesistema de ecuaciones:

x ′ = σ(y − x)y ′ = rx − y − xzz ′ = xy − bz.

con σ, r ,b > 0

(σ = 10, b = 8/3, r = 28).

Primeras observacionesLa simetría

(x , y , z) 7→ (−x ,−y , z)

deja el sistema de ecuaciones invariante.

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Las ecuaciones de Lorenz

Edward N. Lorenz (1917 - 2008), en 1967 propone el siguientesistema de ecuaciones:

x ′ = σ(y − x)y ′ = rx − y − xzz ′ = xy − bz.

con σ, r ,b > 0 (σ = 10, b = 8/3, r = 28).

Primeras observacionesLa simetría

(x , y , z) 7→ (−x ,−y , z)

deja el sistema de ecuaciones invariante.

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Las ecuaciones de Lorenz

Edward N. Lorenz (1917 - 2008), en 1967 propone el siguientesistema de ecuaciones:

x ′ = σ(y − x)y ′ = rx − y − xzz ′ = xy − bz.

con σ, r ,b > 0 (σ = 10, b = 8/3, r = 28).

Primeras observaciones

La simetría(x , y , z) 7→ (−x ,−y , z)

deja el sistema de ecuaciones invariante.

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Las ecuaciones de Lorenz

Edward N. Lorenz (1917 - 2008), en 1967 propone el siguientesistema de ecuaciones:

x ′ = σ(y − x)y ′ = rx − y − xzz ′ = xy − bz.

con σ, r ,b > 0 (σ = 10, b = 8/3, r = 28).

Primeras observacionesLa simetría

(x , y , z) 7→ (−x ,−y , z)

deja el sistema de ecuaciones invariante.

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Puntos fijos

(0,0,0) es un punto fijo. ¿Hay otros?

x ′ = 0 ⇒ x = y ,

z ′ = 0 ⇒ z =x2

b,

y ′ = 0 ⇒ x(r − 1)− x3

b= 0.

La última ecuación es equivalente a

x2

b= r − 1,

con soluciones x =√

b(r − 1).

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Puntos fijos

(0,0,0) es un punto fijo. ¿Hay otros?

x ′ = 0 ⇒ x = y ,

z ′ = 0 ⇒ z =x2

b,

y ′ = 0 ⇒ x(r − 1)− x3

b= 0.

La última ecuación es equivalente a

x2

b= r − 1,

con soluciones x =√

b(r − 1).

Ana Rechtman Ejemplos de sistemas dinámicos caóticos 8 / 18

Puntos fijos

(0,0,0) es un punto fijo. ¿Hay otros?

x ′ = 0 ⇒ x = y ,

z ′ = 0 ⇒ z =x2

b,

y ′ = 0 ⇒ x(r − 1)− x3

b= 0.

La última ecuación es equivalente a

x2

b= r − 1,

con soluciones x =√

b(r − 1).

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Puntos fijos

x2

b= r − 1,

Como b, r > 0, distinguimos dos casos:

Si 0 < r ≤ 1, el único punto fijo es el origen.

Si r > 1, tenemos dos nuevos puntos fijos

p1 = (√

b(r − 1),√

b(r − 1), r − 1)p2 = (−

√b(r − 1),−

√b(r − 1), r − 1).

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Puntos fijos

x2

b= r − 1,

Como b, r > 0, distinguimos dos casos:

Si 0 < r ≤ 1, el único punto fijo es el origen.Si r > 1, tenemos dos nuevos puntos fijos

p1 = (√

b(r − 1),√

b(r − 1), r − 1)p2 = (−

√b(r − 1),−

√b(r − 1), r − 1).

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¿Qué más podemos decir de los puntos fijos?

Aproximación por la diferencial

f : Rn → Rn de clase C2 en una vecindad de un punto x0,entonces

f (x) = f (x0) + Df (x0)(x − x0) + o(x − x0)

con limy→0‖o(y)‖‖y‖ = 0.

En el caso de una ecuación diferencial X ′ = F (X ) las solucionescerca de un punto fijo se pueden aproximar por DF evaluada en elpunto fijo.

F (x , y , z) = (σ(y − x), rx − y − xz, xy − bz),

DF (x , y , z) =

−σ σ 0r − z −1 −x

y x −b

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¿Qué más podemos decir de los puntos fijos?

Aproximación por la diferencial

f : Rn → Rn de clase C2 en una vecindad de un punto x0,entonces

f (x) = f (x0) + Df (x0)(x − x0) + o(x − x0)

con limy→0‖o(y)‖‖y‖ = 0.

En el caso de una ecuación diferencial X ′ = F (X ) las solucionescerca de un punto fijo se pueden aproximar por DF evaluada en elpunto fijo.

F (x , y , z) = (σ(y − x), rx − y − xz, xy − bz),

DF (x , y , z) =

−σ σ 0r − z −1 −x

y x −b

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¿Qué más podemos decir de los puntos fijos?

Aproximación por la diferencial

f : Rn → Rn de clase C2 en una vecindad de un punto x0,entonces

f (x) = f (x0) + Df (x0)(x − x0) + o(x − x0)

con limy→0‖o(y)‖‖y‖ = 0.

En el caso de una ecuación diferencial X ′ = F (X ) las solucionescerca de un punto fijo se pueden aproximar por DF evaluada en elpunto fijo.

F (x , y , z) = (σ(y − x), rx − y − xz, xy − bz),

DF (x , y , z) =

−σ σ 0r − z −1 −x

y x −b

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¿Qué más podemos decir de los puntos fijos?

Aproximación por la diferencial

f : Rn → Rn de clase C2 en una vecindad de un punto x0,entonces

f (x) = f (x0) + Df (x0)(x − x0) + o(x − x0)

con limy→0‖o(y)‖‖y‖ = 0.

En el caso de una ecuación diferencial X ′ = F (X ) las solucionescerca de un punto fijo se pueden aproximar por DF evaluada en elpunto fijo.

F (x , y , z) = (σ(y − x), rx − y − xz, xy − bz),

DF (x , y , z) =

−σ σ 0r − z −1 −x

y x −b

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Descripción de los puntos fijos

¿Cuál es el valor de DF en el origen?

En el origen,

DF (0,0,0) =

−σ σ 0r −1 00 0 −b

¿Qué podemos decir de los valores propios?

−b es un valor propio con espacio propio el generado por (0,0,1).Los otros dos valores propios corresponden a raíces de

λ2 + (σ + 1)λ+ σ(1− r) = 0

λ =−σ − 1±

√(σ − 1)2 + 4r2

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Descripción de los puntos fijos

¿Cuál es el valor de DF en el origen?En el origen,

DF (0,0,0) =

−σ σ 0r −1 00 0 −b

¿Qué podemos decir de los valores propios?

−b es un valor propio con espacio propio el generado por (0,0,1).Los otros dos valores propios corresponden a raíces de

λ2 + (σ + 1)λ+ σ(1− r) = 0

λ =−σ − 1±

√(σ − 1)2 + 4r2

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Descripción de los puntos fijos

¿Cuál es el valor de DF en el origen?En el origen,

DF (0,0,0) =

−σ σ 0r −1 00 0 −b

¿Qué podemos decir de los valores propios?

−b es un valor propio con espacio propio el generado por (0,0,1).Los otros dos valores propios corresponden a raíces de

λ2 + (σ + 1)λ+ σ(1− r) = 0

λ =−σ − 1±

√(σ − 1)2 + 4r2

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Descripción de los puntos fijos

¿Cuál es el valor de DF en el origen?En el origen,

DF (0,0,0) =

−σ σ 0r −1 00 0 −b

¿Qué podemos decir de los valores propios?

−b es un valor propio con espacio propio el generado por (0,0,1).

Los otros dos valores propios corresponden a raíces de

λ2 + (σ + 1)λ+ σ(1− r) = 0

λ =−σ − 1±

√(σ − 1)2 + 4r2

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Descripción de los puntos fijos

¿Cuál es el valor de DF en el origen?En el origen,

DF (0,0,0) =

−σ σ 0r −1 00 0 −b

¿Qué podemos decir de los valores propios?

−b es un valor propio con espacio propio el generado por (0,0,1).Los otros dos valores propios corresponden a raíces de

λ2 + (σ + 1)λ+ σ(1− r) = 0

λ =−σ − 1±

√(σ − 1)2 + 4r2

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Descripción de los puntos fijos

¿Cuál es el valor de DF en el origen?En el origen,

DF (0,0,0) =

−σ σ 0r −1 00 0 −b

¿Qué podemos decir de los valores propios?

−b es un valor propio con espacio propio el generado por (0,0,1).Los otros dos valores propios corresponden a raíces de

λ2 + (σ + 1)λ+ σ(1− r) = 0

λ =−σ − 1±

√(σ − 1)2 + 4r2

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Descripción de los puntos fijos

λ =−σ − 1±

√(σ − 1)2 + 4r2

Para 0 < r < 1, las dos soluciones son negativas⇒ el origen es unpunto atractivo.

Para r > 1, uno de las soluciones es positiva⇒ el origen es un puntohiperbólico.

Para r > 1 pequeña, todos los valores propios de DF (pi) son reales ynegativos.

Ana Rechtman Ejemplos de sistemas dinámicos caóticos 12 / 18

Descripción de los puntos fijos

λ =−σ − 1±

√(σ − 1)2 + 4r2

Para 0 < r < 1, las dos soluciones son negativas⇒ el origen es unpunto atractivo.Para r > 1, uno de las soluciones es positiva⇒ el origen es un puntohiperbólico.

Para r > 1 pequeña, todos los valores propios de DF (pi) son reales ynegativos.

Ana Rechtman Ejemplos de sistemas dinámicos caóticos 12 / 18

Descripción de los puntos fijos

λ =−σ − 1±

√(σ − 1)2 + 4r2

Cuando r crece, dos de los valores propios DF (pi) se vuelvencomplejos y ambox puntos siguen siendo atractores.

Ana Rechtman Ejemplos de sistemas dinámicos caóticos 13 / 18

Descripción de los puntos fijos

λ =−σ − 1±

√(σ − 1)2 + 4r2

Cuando r llega al punto de transición r0 ∼ 13,926,

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Descripción de los puntos fijos

λ =−σ − 1±

√(σ − 1)2 + 4r2

Finalmente para r > r0

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Atractor de Lorenz

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La herradura de Smale

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La herradura de Smale

Ana Rechtman Ejemplos de sistemas dinámicos caóticos 17 / 18

La herradura de Smale

Describir la región D2 del cuadrado C tal que f (D2) ⊂ C

D2 = R1 ∪ R2

es el dominio de f 2.

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La herradura de Smale

Describir la región D2 del cuadrado C tal que f (D2) ⊂ C

D2 = R1 ∪ R2

es el dominio de f 2.Ana Rechtman Ejemplos de sistemas dinámicos caóticos 18 / 18